La espectroscopia Raman estimulada , también conocida como dispersión raman estimulada ( SRS ) es una forma de espectroscopia empleada en física, química, biología y otros campos. El mecanismo básico se asemeja al de la espectroscopia Raman espontánea : un fotón de bomba, de frecuencia angular, que es absorbido por una molécula tiene una pequeña probabilidad de inducir una transición vibratoria (o rotacional), en lugar de inducir una transición de Rayleigh simple. Esto hace que la molécula emita un fotón a una frecuencia desplazada. Sin embargo, SRS, a diferencia de la espectroscopia Raman espontánea, es un fenómeno no lineal de tercer orden que involucra un segundo fotón, el fotón de Stokes de frecuencia angular.—Que estimula una transición específica. Cuando la diferencia de frecuencia entre ambos fotones () se asemeja al de una transición vibratoria (o rotacional) específica () la ocurrencia de esta transición se mejora de manera resonante. En SRS, la señal es equivalente a cambios en la intensidad de la bomba y los rayos de Stokes. El empleo de un rayo láser de bomba de frecuencia constante y un rayo láser de Stokes de una frecuencia escaneada (o viceversa) permite desentrañar la huella digital espectral de la molécula. Esta huella digital espectral difiere de las obtenidas por otros métodos de espectroscopia, como la dispersión de Rayleigh, ya que las transiciones Raman confieren reglas de exclusión diferentes a las que se aplican a las transiciones de Rayleigh.
Historia
El fenómeno de SRS fue descubierto por accidente por Woodbury y Ng en 1962. [1] En su experimento, introdujeron una célula que contenía nitrobenceno en una cavidad de láser de rubí . Esto dio como resultado una fuerte emisión a una longitud de onda que no pudo asociarse con las longitudes de onda características del medio de ganancia de rubí. Al principio, esto se explicó como luminiscencia . Sólo en una etapa posterior se interpretó correctamente como la primera observación experimental de SRS. Un año después, Garmier et al. [1] introdujo un marco de mezcla de dos ondas para la descripción de SRS. Estos trabajos pioneros abrieron una nueva vía de investigación y fueron seguidos por muchos trabajos teóricos y experimentales en el campo de SRS.
Principio
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/en/thumb/d/d6/SRS_energy_levels_scheme.png/300px-SRS_energy_levels_scheme.png)
Descripción cualitativa
El principio de SRS puede entenderse intuitivamente adoptando la descripción mecánica cuántica de los niveles de energía de la molécula. Inicialmente, la molécula se encuentra en el estado fundamental, es decir, su nivel de energía electrónica más bajo. Luego, absorbe simultáneamente tanto la bomba como los fotones de Stokes, lo que provoca una transición vibratoria (o rotacional) con cierta probabilidad. La transición se puede considerar como una transición de dos pasos donde en el primer paso la molécula es excitada por el fotón de la bomba a un estado virtual y en el segundo se relaja en un estado vibratorio (o rotacional) diferente al estado fundamental. El estado virtual, que en realidad es una superposición de colas de probabilidad de estados reales, no puede ser ocupado por la molécula. Sin embargo, para una absorción simultánea de dos fotones, podría proporcionar una ruta de acoplamiento entre los estados inicial y final. Cuando la diferencia de energía entre los fotones de la bomba y de Stokes coincide con la diferencia de energía entre algún estado vibratorio (o rotacional) y el estado fundamental, la probabilidad de una transición debido a este proceso estimulado aumenta en órdenes de magnitud.
Descripción cuantitativa
Cada fotón que se somete a SRS cambia de color de bomba a color de Stokes. Por lo tanto, la señal SRS es proporcional a la disminución o aumento de la intensidad de la bomba o de los haces de Stokes, respectivamente. Estos cambios en las intensidades de los haces se describen mediante las siguientes ecuaciones de velocidad
dónde, y son las intensidades de la bomba y de los haces de Stokes, respectivamente, y son la bomba y las frecuencias angulares de Stokes, respectivamente, es la coordenada a lo largo de la cual se propagan los haces, es el coeficiente de ganancia Raman, y es el coeficiente de pérdida. El coeficiente de pérdida es un coeficiente efectivo que puede explicar las pérdidas debidas a una variedad de procesos como la dispersión de Rayleigh , la absorción , etc. La primera ecuación de tasa describe el cambio en la intensidad del haz de Stokes a lo largo de la longitud de interacción del SRS. El primer término en el lado derecho es equivalente a la cantidad de intensidad ganada por el rayo de Stokes debido al SRS. Como SRS involucra ambos haces, este término depende tanto de y . El segundo término es equivalente a la cantidad de intensidad perdida y, por lo tanto, depende solo de. La segunda ecuación de velocidad describe el cambio en la intensidad del haz de la bomba, su forma es bastante similar a la anterior. El primer término en el lado derecho de la segunda ecuación es igual a su contraparte de la primera ecuación hasta un factor multiplicativo de. Este factor refleja el hecho de que cada fotón (a diferencia de las unidades de intensidad) perdido del rayo de la bomba debido al SRS es ganado por el rayo de Stokes.
En la mayoría de los casos, las condiciones experimentales apoyan dos supuestos simplificadores: (1) pérdida de fotones a lo largo de la longitud de interacción Raman, , es despreciable. Matemáticamente esto corresponde a
y (2) el cambio en la intensidad del haz es lineal; matemáticamente esto corresponde a
- .
En consecuencia, la señal SRS, es decir, los cambios de intensidad en la bomba y los haces de Stokes se aproxima por
dónde y son la bomba inicial y las intensidades de los haces de Stokes, respectivamente. En cuanto a la longitud de la interacción Raman, en muchos casos esta longitud se puede evaluar de manera similar a la evaluación de la longitud de Rayleigh como
- .
Aquí, y son el índice de refracción y la cintura del haz promediados , respectivamente, y y son la bomba y las longitudes de onda de Stokes, respectivamente.
Cada molécula tiene algunos cambios Raman característicos, cada uno asociado con una transición vibratoria (o rotacional) específica de la molécula. La relación entre un cambio Raman,, y la bomba y las longitudes de onda de los fotones de Stokes están dadas por
Cuando la diferencia en longitudes de onda entre ambos láseres está cerca de alguna transición Raman, el coeficiente de ganancia Raman recibe valores del orden de resultando con un SRS eficiente. A medida que esta diferencia comienza a diferir de una transición Raman específica, el valor del coeficiente de ganancia Raman cae y el proceso se vuelve cada vez menos eficiente y menos detectable.
Una configuración experimental de SRS incluye dos rayos láser (generalmente colineales) de la misma polarización, uno se emplea como bomba y el otro como Stokes. Normalmente, se pulsa al menos uno de los láseres. Esta modulación en la intensidad del láser ayuda a detectar la señal, además, ayuda a aumentar la amplitud de la señal, lo que también ayuda a la detección. Al diseñar la configuración experimental, uno tiene gran libertad al elegir la bomba y los láseres de Stokes, ya que la condición Raman (que se muestra en la ecuación anterior) se aplica solo a la diferencia de longitudes de onda.
Comparación con otras variantes de espectroscopia Raman
Dado que SRS es un proceso resonantemente mejorado, su señal es varios órdenes de magnitud más alta que la de una dispersión Raman espontánea, lo que la convierte en una herramienta espectroscópica mucho más eficiente. Además, la intensidad de la señal de SRS también es varios órdenes de magnitud más alta que otro tipo de espectroscopia muy común: la espectroscopia coherente anti-Stokes Raman . SRS involucra solo dos fotones, a diferencia del último, que involucra tres fotones. Por lo tanto, la ocurrencia de SRS es más probable y resulta con una señal más alta. Hay dos variantes prominentes adicionales de espectroscopía Raman espontánea - una mayor superficie de Raman espectroscopia y resonancia Raman espectroscopia . El primero está designado para la espectroscopia Raman de moléculas adsorbidas en superficies rugosas como superficies metálicas o nanoestructuras donde aumenta la señal Raman en muchos órdenes de magnitud. [2] Este último corresponde a un proceso de dispersión Raman espontáneo realizado por un láser con una frecuencia cercana a la transición electrónica del sujeto en estudio. Esto puede amplificar la señal. Sin embargo, requiere el uso de láseres ultravioleta o de rayos X muy potentes que pueden causar fotodegradación y también pueden inducir fluorescencia.
Aplicaciones
SRS se emplea en varias aplicaciones de una amplia variedad de campos. Todas las aplicaciones utilizan la capacidad de SRS para detectar una firma espectral vibratoria (o rotacional) del sujeto en estudio. Aquí hay unos ejemplos:
Estudio de estructuras conformacionales moleculares
Los trabajos en este campo se realizaron tanto en los grupos Cina [3] como en Bar [4] [5] . Cada confórmero está asociado con una firma espectral SRS ligeramente diferente. La detección de estos diferentes paisajes es una indicación de las diferentes estructuras conformacionales de la misma molécula.
Análisis de composición de materiales
Aquí, se utiliza la dependencia de la señal SRS de la concentración del material. La medición de diferentes señales SRS, asociadas a los diferentes materiales de la composición, permite determinar las relaciones estequiométricas de la composición.
Microscopía
La microscopía de dispersión Raman estimulada (SRS) permite obtener imágenes sin etiquetas no invasivas en tejido vivo. En este método, iniciado por el grupo Xie, [6] se obtiene una construcción de una imagen realizando mediciones SRS sobre una cuadrícula, donde cada medición agrega un píxel a la imagen.
Microscopía ultrarrápida
El empleo de pulsos láser de femtosegundos, como se hizo en los grupos Katz, Silberberg, [7] y Xie [8] , permite la generación instantánea de una gran parte de la firma espectral mediante un solo pulso láser. La señal amplia es el resultado del ancho de la banda láser según lo dicta el principio de incertidumbre , que determina una proporción inversa entre la incertidumbre en el tiempo y la incertidumbre en la frecuencia. Este método es mucho más rápido que los métodos de microscopía tradicionales, ya que evita la necesidad de un escaneo de frecuencias prolongado y lento.
Ver también
Referencias
- ^ a b Prince, RC; Frontiera, RR; Potma, EO (2017). "Dispersión Raman estimulada: de Bulk a Nano" . Chem. Rev . 117 (7): 5070-5094. doi : 10.1021 / acs.chemrev.6b00545 . PMC 5471143 . PMID 27966347 .
- ^ Xu, X .; Li, H .; Hansan, D .; Ruoff, RS; Wang, AX; Fan, DL (2013). "Nanotubos bifuncionales magnéticos plasmónicos mejorados de campo cercano para bioanálisis unicelular" . Adv. Funct. Mater . 23 (35): 4332–4338. doi : 10.1002 / adfm.201203822 .
- ^ Cina, JA; Kovac, PA (2013). "Cómo funciona Fissors: observar el cambio conformacional adiabático vibracional a través de la espectroscopia Raman estimulada por femtosegundos". J. Phys. Chem. Una . 117 (29): 6084-6095. Código bibliográfico : 2013JPCA..117.6084C . doi : 10.1021 / jp312878t . PMID 23590752 .
- ^ Mayorkas, N .; Bernat, A .; Izbitski, S .; Bar, I. (2012). "Simultánea ionización-detectada estimulada Raman y espectros de quema de agujero visible-visible-ultravioleta de dos conformadores de triptamina". J. Phys. Chem. Lett . 3 (5): 603–607. doi : 10.1021 / jz300026a . PMID 26286155 .
- ^ Mayorkas, N .; Bernat, A .; Izbitski, S .; Bar, I. (2013). "Espectros vibracionales y vibrónicos de conformadores de triptamina". J. Chem. Phys . 138 (12): 124312. Código Bibliográfico : 2013JChPh.138l4312M . doi : 10.1063 / 1.4798218 . PMID 23556728 .
- ^ Freudiger, CW; Min, W .; Saar, BG; Lu, S .; Holtom, GR; Él, C .; Tsai, JC; Kang, JX; Xie, XS (2008). "Imágenes biomédicas sin etiquetas con alta sensibilidad por microscopía de dispersión Raman estimulada" . Ciencia . 322 (5909): 1857–1861. Código Bibliográfico : 2008Sci ... 322.1857F . doi : 10.1126 / science.1165758 . PMC 3576036 . PMID 19095943 .
- ^ Frostig, H .; Katz, O .; Natan, A .; Silberberg, Y. (2011). "Espectroscopía de dispersión Raman estimulada por pulso único". Letras de óptica . 36 (7): 1248-1250. arXiv : 1011.6576 . Código Bibliográfico : 2011OptL ... 36.1248F . doi : 10.1364 / OL.36.001248 . PMID 21479047 .
- ^ Fu, D .; Holtom, G .; Freudiger, C .; Zhang, X .; Xie, XS (2013). "Imágenes hiperespectrales con dispersión Raman estimulada por láseres de femtosegundos chirridos" . J. Phys. Chem. B . 117 (16): 4634–4640. doi : 10.1021 / jp308938t . PMC 3637845 . PMID 23256635 .
Otras lecturas
- Kazzaz, A .; Ruschin, S .; Shoshan, I .; Ravnitsky, G. (1994). "Dispersión Raman estimulada en optimización experimental de metano y modelo numérico". Revista IEEE de Electrónica Cuántica . 30 (12): 3017−3024. Código bibliográfico : 1994IJQE ... 30.3017K . doi : 10.1109 / 3.362703 .
- Propinas, WJ; Lee, M .; Serrels, A .; Brunton, VG; Hulme, AN (2016). "Microscopía de dispersión Raman estimulada: una herramienta emergente para el descubrimiento de fármacos" . Chem. Soc. Rev . 45 (8): 2075-2089. doi : 10.1039 / c5cs00693g . PMC 4839273 . PMID 26839248 .